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快速掌握并发编程 ---ArrayBlockingQueue 底层原理和实战

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田维常
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发布于: 2020 年 11 月 02 日

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背景


JDK1.5的时候,在新增的 Concurrent 包中,BlockingQueue很好的解决了多线程中,如何高效安全“传输”数据的问题。通过这些高效并且线程安全的队列类,为我们快速搭建高质量的多线程程序带来极大的便利。


本文详细介绍了BlockingQueue家庭中的所有成员,包括他们各自的功能以及常见使用场景。分析ArrayBlockingQueue的底层源码分析。


BlockingQueue 简介



阻塞队列,顾名思义,首先它是一个队列,而一个队列在数据结构中所起的作用大致如下图所示:



从上图我们可以很清楚看到,通过一个共享的队列,可以使得数据由队列的一端输入,从另外一端输出。


常用的队列主要有以下两种:(当然通过不同的实现方式,还可以延伸出很多不同类型的队列,DelayQueue就是其中的一种)


先进先出(FIFO):先插入的队列的元素也最先出队列,类似于排队的功能。从某种程度上来说这种队列也体现了一种公平性。


后进先出(LIFO):后插入队列的元素最先出队列,这种队列优先处理最近发生的事件。


下面两幅图演示了BlockingQueue的两个常见阻塞场景:



如上图所示:当队列中没有数据的情况下,消费者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到有数据放入队列。



如上图所示:当队列中填满数据的情况下,生产者端的所有线程都会被自动阻塞(挂起),直到队列中有空的位置,线程被自动唤醒。


这也是我们在多线程环境下,为什么需要BlockingQueue的原因。作为BlockingQueue的使用者,我们再也不需要关心什么时候需要阻塞线程,什么时候需要唤醒线程,因为这一切BlockingQueue都给你一手包办了。


既然BlockingQueue如此神通广大,让我们一起来见识下它的常用方法:


BlockingQueue 的核心方法

添加数据:


offer(anObject):表示如果可能的话,将 anObject 加到 BlockingQueue 里,即如果 BlockingQueue 可以容纳,则返回 true,否则返回 false。(本方法不阻塞当前执行方法的线程)


offer(E o, long timeout, TimeUnit unit):可以设定等待的时间,如果在指定的时间内,还不能往队列中加入 BlockingQueue,则返回失败。


put(anObject):把 anObject 加到 BlockingQueue 里,如果 BlockingQueue 没有空间,则调用此方法的线程被阻断,直到 BlockingQueue 里面有空间再继续。


获取数据:


poll(time):取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若不能立即取出,则可以等 time 参数规定的时间,取不到时返回 null。


poll(long timeout, TimeUnit unit):从 BlockingQueue 取出一个队首的对象,如果在指定时间内,队列一旦有数据可取,则立即返回队列中的数据。否则知道时间超时还没有数据可取,返回失败。


take():取走 BlockingQueue 里排在首位的对象,若 BlockingQueue 为空,阻断进入等待状态直到 BlockingQueue 有新的数据被加入。


drainTo():一次性从 BlockingQueue 获取所有可用的数据对象(还可以指定获取数据的个数), 通过该方法,可以提升获取数据效率;不需要多次分批加锁或释放锁。


常见 BlockingQueue


在了解了 BlockingQueue 的基本功能后,让我们来看看BlockingQueue家庭大致有哪些成员?



ArrayBlockingQueue 源码分析


构造方法


ArrayBlockingQueue中有三个构造方法,常用这两种,另外的这里就不说了,没多意义。


//创造一个队列,指定队列容量就可以了,默认模式为非公平模式public ArrayBlockingQueue(int capacity) {        this(capacity, false);}////创造一个队列,指定队列容量和指定公平性public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair) {        if (capacity <= 0)            throw new IllegalArgumentException();        this.items = new Object[capacity];        //这里用的就是重入锁,        //公平性通过fair来判断        lock = new ReentrantLock(fair);        //不为空条件队列,明显就是给消费者用        notEmpty = lock.newCondition();        //没有满条件队列,给生产者用        notFull =  lock.newCondition();}
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重要属性


//底层数据结构,说明底层存储数据的数据结构是数组private final E[] items;//用来为下一个take/poll/remove的索引(出队)private int takeIndex;//用来为下一个put/offer/add的索引(入队)private int putIndex;//队列中元素的个数private int count;/** Main lock guarding all access */   private final ReentrantLock lock;//锁/** Condition for waiting takes */private final Condition notEmpty;//等待出队的条件/** Condition for waiting puts */private final Condition notFull;//等待入队的条件
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从这几个属性就能看出来,ArrayBlockingQueue的底层组成为:


  1. 数组

  2. 一个重入锁

  3. 两个条件队列


入队


add()方法


public boolean add(E e) {    // 调用父类的add(e)方法    return super.add(e);}public boolean add(E e) {    // 调用offer(e)如果成功返回true,如果失败抛出异常    if (offer(e))        return true;    else        throw new IllegalStateException("Queue full");}
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offer(e)方法入队


入参 e 为 null,会抛空指针异常

元素插入到队尾(putIndex 自增)

唤醒线程

生产者消费者模式


/** * 在队尾插入一个元素, * 如果队列没满,立即返回true; * 如果队列满了,立即返回false * 注意:该方法通常优于add(),因为add()失败直接抛异常 */public boolean offer(E e) {    //检查存入的数据是否为null    checkNotNull(e);            final ReentrantLock lock = this.lock;    lock.lock();            try {                    //如果数组满了,返回入队失败         if (count == items.length)                            return false;                    else {                            //入队             enqueue(e);                            return true;                    }            } finally {                    lock.unlock();            }}//如果存入的数据是null的会抛控指针异常 private static void checkNotNull(Object v) {            if (v == null)   throw new NullPointerException();    }//putIndex是int类型,默认值就是0private void enqueue(E x) {            final Object[] items = this.items;            //从下标为0的位置开始放入数据     items[putIndex] = x;            //如果putIndex等于数组大小,证明这是最后一个能存放的,然后把putIndex设置为0     //否则++putIndex     if (++putIndex == items.length){                    putIndex = 0;            }    //放入数据个数+1    count++;     /**      * 唤醒一个线程      * 如果有任意一个线程正在等待这个条件,那么选中其中的一个区唤醒。      * 在从等待状态被唤醒之前,被选中的线程必须重新获得锁      */    notEmpty.signal();}
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带超时时间的 offer,在队尾插入一个元素,,如果数组已满,则进入等待,直到出现以下三种情况:-->阻塞


被唤醒

等待时间超时

当前线程被中断


put 方法入队


public void put(E e) throws InterruptedException {            checkNotNull(e);            final ReentrantLock lock = this.lock;      //加锁,如果线程中断了抛出异常    lock.lockInterruptibly();            try {                    while (count == items.length){               //这里就是阻塞了,要注意。如果运行到这里,            //那么它会释放上面的锁,一直等到唤醒            notFull.await();              }            //放入队列        enqueue(e);            } finally {                    lock.unlock();            }}
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小结


  1. add(e)时如果队列满了则抛出异常;

  2. offer(e)时如果队列满了则返回 false;

  3. put(e)时如果队列满了则使用 notFull 等待;

  4. offer(e, timeout, unit)时如果队列满了则等待一段时间后如果队列依然满就返回 false;

  5. enqueue()利用放指针循环使用数组来存储元素;


出队


take 方法出队


从头部出队

队中没有数据,等待被唤醒再取数据。


public E take() throws InterruptedException {    final ReentrantLock lock = this.lock;    //加锁,如果线程中断了抛出异常    lock.lockInterruptibly();            try {        //队列中不存元素        while (count == 0){              /*             * 一直等待条件notEmpty,即被其他线程唤醒             * (唤醒其实就是,有线程将一个元素入队了,然后调用notEmpty.signal()             * 唤醒其他等待这个条件的线程,同时队列也不空了)             */            notEmpty.await();        }        //否则出队        return dequeue();            } finally {                    lock.unlock();            }    }private E dequeue() {    final Object[] items = this.items;    // 取取指针位置的元素    E x = (E) items[takeIndex];    // 把取指针位置设为null    items[takeIndex] = null;    // 取指针前移,如果数组到头了就返回数组前端循环利用    if (++takeIndex == items.length)        takeIndex = 0;    // 元素数量减1    count--;    if (itrs != null)        itrs.elementDequeued();    // 唤醒notFull条件    notFull.signal();    return x;}
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poll 方法出队


太简单了,如果队列里没有数据,就直接返回 null,否则从队列头部出队


public E poll() {            final ReentrantLock lock = this.lock;            lock.lock();            try {        //如果队列里没有数据就直接返回null        //否则从队列头部出队        return (count == 0) ? null : dequeue();            } finally {                    lock.unlock();           }   }
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remove 方法


public E remove() {    // 调用poll()方法出队    E x = poll();    if (x != null)        // 如果有元素出队就返回这个元素        return x;    else        // 如果没有元素出队就抛出异常        throw new NoSuchElementException();}
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小结


  1. remove()时如果队列为空则抛出异常;

  2. poll()时如果队列为空则返回 null;

  3. take()时如果队列为空则阻塞等待在条件 notEmpty 上;

  4. poll(timeout, unit)时如果队列为空则阻塞等待一段时间后如果还为空就返回 null;

  5. dequeue()利用取指针循环从数组中取元素;


总结


1.ArrayBlockingQueue 不需要扩容,因为是初始化时指定容量,并循环利用数组;


2.ArrayBlockingQueue 利用 takeIndex 和 putIndex 循环利用数组;


3.入队和出队各定义了四组方法为满足不同的用途;


4.利用重入锁和两个条件保证并发安全。


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发布于: 2020 年 11 月 02 日阅读数: 34
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